전해 도금법을 사용한 InP 나노와이어의 합성에 관한 연구

Abstract

나노 미터 크기 수준에서 물질의 형성 및 그 특성을 연구하는 나노 기술(Nanotechnology, NT)는 정보 기술(Information Technology, IT), 바이오 기술(Biotechnology, BT)와 더불어 21세기의 핵심기술로 각광받고 있다. 나노 기술을 실제로 응용하기 위해서는 나노 크기의 입자를 형성하고 그 입자에 기능을 부여하는 기술이 개발되어야 한다. 본 논문은 전해 도금법을 사용하여 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체인 InP 나노와이어를 합성하고, 그 나노와이어에 Mn을 dopoing 하여 Dilluted Magnetic Semiconductor로 활용하는 방법을 연구한 논문이다. Diluted Magnetic Semiconductor은 Spintronics를 구현할 수 있는 물질로써 가장 각광을 받고 있으며, 그것은 기존의 마이크로 전자공학을 통해 축적되어온 지식과 기술의 인프라를 활용할 수 있는 커다란 장점이 있기 때문이다. Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체를 형성하는 MOCVD 등 여러 가지 방법들이 개발되었으나, 이미 개발된 방법들은 제조 공정이 복잡하고 값 비싸고 예민한 장비를 사용하여야 하고, doping의 어려움 등의 문제가 있었다. 본 연구에서는 공정이 간단하고 단순한 범용장비를 이용하여 균일하고 조성 조절이 용이한 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체를 형성하는 새로운 공정개발에 초점을 맞추고 연구하였다. 균일하고 곧은 나노 와이어 합성을 위하여 AAO(Anodic Aluminium Oxide) template(0.01μm Whatman, anodisc)를 사용하였다. AAO 한 쪽 면에 electrode 역할을 위해 Ti 을 1 μm 증착한 후, Pt electrode 와 standard electrode와 함께 cell을 만들어 solution에 담궈 전해 도금법을 이용하여 나노와이어를 합성한다. 나노와이어 합성 후 200~600 ℃의 온도로 진공 열처리하여 결정화된 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 나노와이어를 형성시켰다. 투과 전자현미경(TEM)을 통하여 대부분의 template 내에 형성된 나노와이어를 관찰할 수 있었으며, solution의 농도 및 조성, 증착 온도 및 속도에 따라 나노와이어가 형성되는 조성, 모양, 분포 등이 바뀌는 것을 관찰할 수 있었다. 다른 원소의 doping 및 potential 별 증착이 용이한 전해도금법의 특성을 이용하여, solution에 Mn을 첨가하여 In(1-x)MnxP 박막을 합성하였다. 또한 In(1-x)MnxP의 조성을 변화시켜 200 ℃ 이상에서 열처리를 하여 결정화된 박막을 형성하였다. 이 과정 중에서 증착과 열처리 과정을 반복함으로써 In(1-x)MnxP 박막의 조성 및 모양을 조절할 수 있었다. 본 연구에서는 여러 가지 형성 조건에 따라 다르게 나타나는 나노와이어 형성에 관련된 메커니즘을 나노와이어의 구조를 분석함으로써 증명하였다. 결과적으로 solution의 조성, 증착 조건을 변화시키고 전해 도금법을 이용하여 AAO template 내에 균일하고 고밀도의 나노와이어를 형성할 수 있었다. 이런 나노와이어를 이용하여 Diluted Magnetic Semiconductor를 만들어 그것의 성장기구와 강자성 특성, 결정학적 특성에 대한 열역학 기구, 결정성과 표면 특성이 자기적 특성에 미치는 영향, 그리고 자기적 성질에 따른 수송자의 거동 등 신소재에 대한 물리학적 이해를 도울 수 있는 결과들을 도출해 내고, 이러한 결과들은 최근 연구 동향에 따르면 학문적으로 매우 가치있는 성과가 될 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서 수행되는 실험과정 등은 Spintronic 소자 응용을 위한 신소재 개발에 대해 새로운 기법 등을 제공할 수 있을 것으로 보여지며, Spintronics 구현을 위한 기술 기반 확립에 대해 커다란 기술적 가치를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.